Kas-iskelet Ultrason Görüntüleme Bir Roman Uygulama
Summary
Biz dinamik faaliyetler sırasında alt milisaniyelik zamansal çözünürlüğe sahip kas kasılması hız, gerginlik ve gerilme hızını ölçmek için yeni bir ultrason tabanlı vektör doku Doppler görüntüleme tekniği açıklar. Bu yaklaşım, dinamik kas fonksiyonunun tamamlayıcı ölçümler sağlar ve kas-iskelet sistemi rahatsızlıklarının altında yatan mekanizmaların daha iyi anlaşılmasına yol açabilir.
Abstract
Ultrason dinamik görevler sırasında görüntüleme kas ve tendon hareket için cazip bir yöntemidir ve bir klinik veya laboratuvar ortamında biyomekanik çalışmalar için tamamlayıcı bir metodolojik yaklaşım sağlayabilir. Bu hedefe doğru, ultrason görüntülerinin kas kinematik ölçümü için yöntemler geliştirilmiştir görüntü işleme dayalı ediliyor. Bu yöntemlerin zamansal çözünürlük gibi açılan iniş gibi son derece dinamik görevler için genellikle yeterli değildir. Biz kas kinematik ölçülmesi için bir Doppler yöntemi kullanan yeni bir yaklaşım öneriyoruz. Biz yeni bir vektör doku Doppler ultrasonografi kullanarak dinamik faaliyetler sırasında alt milisaniyelik zamansal çözünürlüğe sahip iskelet daralma hızı, gerginlik ve gerilme hızını ölçmek için kullanılabilir (vTDI) tekniği geliştirdik. Bu ön çalışmanın amacı kas iskelet H ızı ölçmede tekrarlanabilirlik ve vTDI tekniğinin potansiyel uygulanabilirliğini araştırmaktırSağlıklı kişilerde bir damla-iniş görevi sırasında ities. VTDI ölçümleri, eklem kinematiği ve kinetiği için 3D motion capture, yer reaksiyon kuvveti kas aktivasyonu ve kuvvet plakalar zamanlaması için elektromiyografi gibi diğer biyomekanik teknikleri ile aynı anda yapılabilir. Bu tamamlayıcı teknikler Entegrasyon kas-iskelet sistemi hastalıklarının patogenezi ve patofizyolojisi altta yatan dinamik kas fonksiyonu ve disfonksiyonu daha iyi anlaşılmasına yol açabilir.
Introduction
Kas-iskelet bozuklukları yetişkinlikte 1 yaygın yaygındır. Onlar ABD'de 2 önde gelen kronik bir durum ve dünya çapında 3 kişi% 25 etkilediği bildirilmektedir. Kas-iskelet bozuklukları, günlük yaşam (ADL), fonksiyonel kısıtlamalar ve yaşam 4 alt kalitesi faaliyetlerinde azalma fonksiyonu ile ilişkilidir. Onların ekonomik yükü nedeniyle üretkenlik kaybı ve yüksek sağlık maliyetleri 4 önemli olduğunu. Bu hastalıkların bazılarının patofizyolojisi yetersiz anlaşılamamıştır. Örneğin, ön çapraz bağ (ACL) yaralanmaları rekonstrüksiyonu şu osteoartrit (OA) 4 patogenezi kuadriseps kas gücü ve fonksiyon 5 değişikliklere bağlantılı olmuştur, ancak altta yatan mekanizmalar belirsizdir. Altında yatan mekanizmaları aydınlatmak için, daha iyi dinamik kas fonksiyonunu anlamak için bir ihtiyaç vardır.
Fonksiyonelbireysel kaslar değerlendirmesi, kısmi veya ADL ve aktif yaşam tarzı (yani spor) ile ilgili tüm görevin ifası sırasında kas fonksiyonu ve bu hastalıkların patogenezi ve patofizyolojisi yılında potansiyel rolü hakkında daha fazla fikir verebilir. Dahası rehabilitasyon sırasında kas fonksiyonu iyileştirme ölçümü bir sonuç ölçütü olarak kullanılabilir. Klinikte kas ve eklem fonksiyonunu ölçme geleneksel teknikleri gibi hareket açıklığı, kas gücü ve / veya kas grubu dayanıklılık gibi fiziksel muayene içerir. Şu anda klinikte, elektromiyografi (EMG) kas aktivasyonu / ko-aktivasyonu, sıklığını ve kas aktivitesinin genlik değerlendirmek için kullanılır. Bununla birlikte, EMG kas elektrik aktivasyonunun bir ölçüsüdür ve zorunlu olarak kas gücü, büzülme yeteneği ve kas diğer fonksiyonel faktörler hakkında bilgi sağlamaz. Böyle 3D motion capture sistemi f gibi diğer gelişmiş biyomekanik değerlendirmeler,veya zemin reaksiyon kuvveti için ortak kinetik ve kinematik ve kuvvet plakalar bir yürüyüş laboratuarda 6-9 yapılabilir. Bu teknikler ile yapılan ölçümler, ortak düzeyde ve zorunlu olarak, dinamik veya fonksiyonel aktivite sırasında tek bir kas fonksiyonunun doğrudan bir anlayış sağlamaz. Dinamik bir aktivite yaparken aynı anda kas görüntüleme gerçekleştirmek için yeteneği potansiyel kas düzeyinde bir iyi ve daha gerçekçi işlevsel değerlendirmesine yol açabilir.
Çalışmaların büyük çoğunluğu statik yüzüstü pozisyonda kas fonksiyonu üzerine odaklanmış ve bu yöntem ayrıca gerçek zamanlı durumlarında kas davranışları anlayışımızı geliştirmek için yeni yollar açabilirsiniz.
Tanısal ultrasonun gerçek zamanlı olarak kas ve tendon doğrudan görüntüleme etkinleştirebilirsiniz, ve bu nedenle ADL sırasında iskelet dinamiklerini ve fonksiyonunu ölçmek için cazip bir alternatiftir. Ultrason dayalı kantitatif tedbirlergibi kas kalınlığı, uzunluğu, genişliği, kesit alanı (CSA), lif pennation açısı ve fasikül uzunluğu gibi kas morfolojisi ve mimarisi, yaygın olarak 10-12 kullanılmıştır. Son yıllarda, görüntü işleme yöntemleri dinamik görevleri 13-14 sırasında bu nicel tedbirleri değerlendirmek ve ölçmek için istihdam edilmiştir. Bu gelişmeler vivo kas fonksiyon anlayışına yeni bir metodolojik yaklaşım sağlamıştır. Ancak, bu yöntemler öncelikle geleneksel gri tonlama (veya B-mod) ultrason görüntüleme kullanılarak dayanmıştır ve bu nedenle tam değerli olduğu gösterilmiştir doku hızları, gerginlik ve Doppler ilkelerini kullanarak gerilme hızını ölçmek için ultrason olanaklarını istismar değil kalp kası fonksiyonunu 15-16 değerlendirirken.
Biz yüksek temporal çözünürlük (alt millisecon ile daralma hızı, gerginlik ve gerilme hızını ölçebilir bir vektör doku Doppler görüntüleme (vTDI) tekniği geliştirdikd) Dinamik faaliyetleri sırasında 17-18. Özellikle, vTDI tekniği yüksek kare hızlarında son derece dinamik görevler (örneğin, açılan iniş, yürüyüş, vb) sırasında kas ve tendon ölçümler yapabilmektedir. VTDI teknik ultrason huzmesi boyunca hız, yalnızca bileşen tahmin geleneksel Doppler ultrason, üzerinde bir gelişme olduğunu ve bu nedenle İnsonasyon açısına bağlıdır. vTDI farklı açıda yönlendirilen iki farklı ultrason dalgalarının kullanarak kas ve tendonun hızı tahmin ve görüntü düzleminde İnsonasyon açının bağımsızdır. Kas kasılması 3D olur beri Ancak, görüntüleme uçağın açı hala önemlidir. Biz bir klinik ortamda yapılacak bu ölçümler sağlayan, bir araştırma arayüz ile piyasada bulunan bir ultrason sistemi üzerinde bu yöntemi hayata geçirdik.
Tekrarlanabilirlik ve vTDI Sist potansiyel uygulanabilirliğini araştırmak içinem dinamik bir görev sırasında rektus femoris kas hızları ölçüm, sağlıklı erişkin gönüllü üzerinde bir ön çalışma yapıldı. Bu kağıt metodoloji ve kasılma hızları tahmin için bir deney düzeneği gösterir, gerginlik ve rektus gerginlik oranı damla-iniş görevi sırasında milisaniyenin zamansal çözünürlüğe sahip kas femoris.
Protocol
Representative Results
Discussion
Ultrason görüntüleme, 3D motion capture, dinamometrisi, elektromiyografi ve yer reaksiyon kuvveti ölçümleri gibi geleneksel önlemleri tamamlayıcı dinamik çalışmalarda kas kinematiğinin doğrudan değerlendirmesini sağlamak için yeteneğine sahiptir. Bu yaklaşım, temel biyomekanik araştırma ve klinik değerlendirme için geniş ölçüde uygulanabilir olabilir. Ham radyofrekans (RF) ultrason veri veya zarf-tespit gri skala (veya B-modu) görüntü verilerini çapraz-korelasyon kullanmak (1) benek izleme yöntemleri: ultrason kullanarak doku hareketini tahmin için üç temel yaklaşım vardır. Bu teknikler yaygın iskelet 24-25 ve kalp kası 26 hareket izleme ve tahmini hem de kullanılmıştır; (2) kas fasiküller veya özellikleri 27-28 ve kardiyak 29 hem de kullanılan (3) doku Doppler görüntüleme teknikleri izlemek görüntü işleme yöntemleri -30 ve iskelet 31 hareket kestirimi. Mekansal çapraz-c dayalı Benek takibikorelasyon saptandı doku hareketini izlemek için ve alt-piksel çözünürlük ile hareket izleyebilirsiniz yaygın olarak kullanılmaktadır. Ancak, benek desenler büyük hareketleri sırasında hızlı decorrelate. Görüntü düzleminden dışarı hareketi de benek takibi için bir sorun teşkil etmektedir. Izleme kas fasikül uzunluğu için yöntemler tüm fasikül dinamik görevi sırasında görüntüde görüntülenmiştir iyi uygulanabilirliği var. Işleme resim verilerine güvenmek Yöntemleri görüntüleme kare hızı ile sınırlıdır düşük temporal çözünürlüğe sahip ve bu nedenle yüksek hızlarda hareket izleyemez. Buna ek olarak, bu fasikül izleme yöntemlerinin uçak hareket dışında çok duyarlıdır. Böylece kas prob hareketi göreli izleme başarısız olmasına neden olabilir. Geleneksel doku Doppler görüntüleme (TDI) itibaren hız tahminlerinin yanı sıra küçük sonda hareketlerine daha sağlam, daha yüksek zamansal çözünürlüğe sahip olabilir. Doppler yöntemleri dolayısıyla Doppler tahminler yanlış du olabilir, sadece ultrason ışınının boyunca hızlar bileşenlerini tahmin edebilirsinizkas hareketi ile İnsonasyon değişen açısı e. Bizim vTDI önerilen yöntem, farklı açılarda yönlendirilen iki farklı ultrason dalgalarının kullanarak bu sorunun üstesinden gelir, bu nedenle hız tahmin görüntüleme düzlemde İnsonasyon açısı bağımsızdır. Ayrıca, vTDI etkili zamansal çözünürlük yaklaşık 0.1 ms olabilir ve bu nedenle bu yöntem dinamik faaliyetleri sırasında (örneğin açılan iniş, yürüyüş ve koşu) iskelet kasının hareketini izleyebilirsiniz.
Bizim yaklaşımın diğer avantajları vektör doku Doppler görüntüleme gerçekleştirmek için klinik bir ultrason sistemine dayanan doğrusal dizi görüntüleme transdüktörün kullanımını içerir. Biz elektronik gönderme / geniş bir görüş alanını taramak için, ışıma, aralık boyutu ve yerleri odak almak kontrollü. Ayrıca, bu yaklaşım, aynı anda gerçek zamanlı görüntüleme ile dubleks vTDI gerçekleştirmek için uzatılabilir. Bizim sistem de bize l geleneksel B-mod görüntüleme gerçekleştirmek için izin verirdoku gerginlik ve kinematik ölçümü için ilgi bölgeyi ocate. Bu yöntem klinik tarayıcı uygulanan bu yana, biz biyomekanik araştırma için bir yürüyüş laboratuarında bu vTDI yöntemi dağıtmak mümkün olmuştur.
Bu tekniğin sınırlamaları kabul edilmelidir. Çeşitli faktörler Doppler ölçümlerinin doğruluğunu etkileyebilir. (boyunca ve kas lifleri arasında) iki boyutta vTDI merkezli hız tahminleri (32 elemanlar geniş) iki gönderme / alma alt açıklıkların bölünmüş ve 15 ° ışınlarını yönlendirmek için doğrusal dizi azaltıcı gerektirir. Ultrason yüksek açılarla kirişler iletmek ve almak Direksiyon lobları ızgara nedeniyle hız önlemleri etkileyebilir. Ayrıca, vTDI ışın örtüşme bölgenin alanı potansiyel olarak hız tahminleri etkileyen, 32 kalınlıkları farklı ışın odak değişir. Doppler tahminlerinin varyans t (1) analizi, zaman penceresi içinde hızlanma ve yavaşlama doku (2) varyans bağlıdırDoppler aralığı kapısı olan sorun, hız (3) Geniş Bant için kullanılan bir delik içinde farklı Doppler açı nakledilen ve aynı zamanda da bilinen ultrason kirişler, alınan spektral geometrik 33 ve iletilen ultrason puls (4) bant genişliği, genişletme yana Doppler kayması taşıyıcı frekansı 34 ile orantılıdır. Çeşitli yöntemler varyans sınırlamak için kullanılabilir. Gibi otokorelasyonlu gibi faz temelli hız tahmin edicileri, genellikle spektral kestiricilerin göre daha küçük analiz zaman pencerelerini kullanmak, ancak Doppler kayması ziyade zirve kayması demek tahmin. Geniş bant 2B Fourier gibi spektral tahminciler 35 nedeniyle darbe bant genişliği varyans azaltabilir dönüşümü. İki Doppler kirişler kumanda kullanır vTDI, durumunda, kas kiriş-örtüşme bölgesi göreceli olarak doku hızların varyans düşünülmesi gereken bir faktördür. Rektus femoris kas kasılması 3D ve daralma H ızı olduğunuSığ kas boyunca uzaysal olarak değişir. Bu nedenle, dikkatli bir ilgi bölgeyi seçmek önemlidir.
Bu çalışmada, biz vTDI kullanarak sekiz sağlıklı gönüllülerde bir damla-iniş görevi sırasında rektus femoris kas kinematiğinin tekrarlanabilirliği araştırıldı. Denemeler bağımsız olmalarına rağmen, biz çalışmalar arasındaki bireyler için son derece ilişkili ve tekrarlanabilir zirve kas kasılması hızları görülmektedir. Biz şu anda daha bu desen incelemek için bizim çalışmamızda daha fazla konu alımı vardır. Bu çalışmada non-invaziv sağlamıştır ve rektus kasılma hızlarının gerçek zamanlı ölçüm açılan iniş sırasında kas femoris. Kasılma hızlarının aşağıdaki desenler açılan iniş görev (Şekil 2) çeşitli aşamalarında gözlenmiştir: 1. Kas kasılması hızları (fleksiyon (fırlatma faz) ve uzatma sırasında eksenel yönüne göre yanal doğrultuda hakim in-the-air phase). Rektus femoris kas in-the-air aşamasında başlangıç aşamasında ve konsantrik kasılma sırasında eksantrik kasılma geçiyor çünkü bu, bekleniyor. 2. Denecek kadar düşük eksenel kas hızlarla üçüncü faz (ayak yere dokunmadan) sırasında düşük yanal kas hızları. Bu, bu aşamanın 3 sırasında rektus femoris kas kasılması düşürmek için gelir. Topuk yere temas hemen sonra eksenel ve yanal kas hızlarında önemli artış. Bu, kas lifleri sırasıyla kas lifleri, normal boyunca hızlarında artışa neden olan, muhtemelen sıkıştırma şekil olarak eksantrik daralma ve değişim geçiren hem de kas kaynaklanmaktadır. Damla iniş görevi yüksek darbe görev olduğu gerçeğine rağmen, vTDI tekrarlanabilir rectus femoris kası hızları gösterdi. Bu kas aşırı yüklenmesini diz eklemi korumak için öncelikle sorumlu olduğu bu ultrason tekniğidir klinik etkisi olabilir.Bu nedenle, Rekonstrüksiyon hastalarda rektus femoris kasının daha fazla değerlendirme OA erken ve hızlandırılmış başlamasına yol mekanizmaları anlamak için garanti edilir.
Bu çalışmada katılımcıların hepsi 30 cm boyunda bir platformda bir doğal damla iniş görevi gerçekleştirmek istendi ancak biz atlama veya lansman yüksekliği farklılıklar bulundu. Ayrıca, yüksek hızlı kamera verileri kullanarak, tüm konular, farklı bir damla iniş tarzı olduğu gözlenmiştir. Bu görevi sırasında aktivasyon kalıpları olası farklılıkların bir sonucu olarak kas femoris rektus zirve çıkan hız değerlerinde konular arasında ufak farklar açıklayabilir. Başka bir olası faktör potansiyel kas kasılması farklı düzeylerde yol açabilir ve üretim güç olabilir rektus femoris kası, enine kesit alanında farklılıklardır.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma, Ulusal Bilim Vakfı Hibe Numarası 0953652 tarafından ve kısmen George Mason Üniversitesi kütüphaneleri erişime açık yayın fonu tarafından kısmen desteklenmiştir. Biz yüksek hızlı kamera erişimi sağlamak için Dr John Robert Cressman Jr teşekkür etmek istiyorum.
Materials
| Name of Equipment | Company | Model Name | |
| Ultrasound System | Ultrasonix | Sonix RP | |
| 3D Motion Capture System | Vicon Motion Systems | Vicon T-20 | |
| Force Plates | Bertec Corporation | Bertec 4060-10 | |
| High Speed Camera | Photron | Photron 512 PCI 32K |
References
- Woolf, A. D., Akesson, K. Understanding the burden of musculoskeletal conditions. The burden is huge and not reflected in national priorities. BMJ. 322, 1079-1080 (2001).
- World Health Organization. . Health 21: the health for all policy for the WHO European region – 21 targets for the 21st century. , (1988).
- National Center for Health Statistics. . National health interview survey. , (1995).
- Reginster, J. Y. The prevalence and burden of arthritis. Rheumatology. 41, 3 (2002).
- Slemenda, C., Brandt, K. D., Heilman, D. K., et al. Quadriceps weakness and osteoarthritis of the knee. Annals of internal medicine. 127 (2), 97 (1997).
- Rasker, J. J. Rheumatology in general practice. British Journal of Rheumatology. 34, 494-497 (1995).
- Chopra, A., Abdel-Nasser, A. Epidemiology of rheumatic musculoskeletaldisorders in the developing world. Best Practice & Research Clinical Rheumatology. 22, 583-604 (2008).
- Narayan, U. G. The role of gait analysis in the orthopedic management of ambulatory cerebral palsy. Current Opinion in Pediatrics. 19, 38-43 (2007).
- Ahtiainen, J. P., et al. Panoramic ultrasonography is a valid method to measure changes in skeletal muscle cross-sectional area. European journal of applied physiology. 108 (2), 273-279 (2010).
- Rutherford, O. M., Jones, D. A. Measurement of fibre pennation using ultrasound in the human quadriceps in vivo. European journal of applied physiology and occupational physiology. 65 (5), 433-437 (1992).
- Fukunaga, T., et al. Determination of fascicle length and pennation in a contracting human muscle in vivo. Journal of Applied Physiology. 82 (1), 354-358 (1997).
- Miyoshi, T., et al. Automatic detection method of muscle fiber movement as revealed by ultrasound images. Medical engineering. 31 (5), 558-564 (2009).
- Cronin, N. J., et al. Automatic tracking of medial gastrocnemius fascicle length during human locomotion. Journal of Applied Physiology. 111 (5), 1491-1496 (2011).
- Heimdal, A., Stoylen, A., Torp, H., Skjaerpe, T. Real-time strain rate imaging of the left ventricle by ultrasound. Journal of American Society of Echocardiography. 11, 1014-1019 (1998).
- D’hooge, J., Bijnens, B., Thoen, J., Van de Werf, F., Sutherland, G. R., Suetens, P. Echocardiographic strain and strain-rate imaging: a new tool to study regional myocardial function. IEEE Trans Med. Img. 21, 1022-1030 (2002).
- Eranki, A., et al. Measurement of tendon velocities using vector tissue Doppler imaging: A feasibility study. Conf. Proc. IEEE Eng. Med. & Biol. , 5310-5313 (2010).
- Sikdar, S., et al. Measurement of rectus femoris muscle velocities during patellar tendon jerk using vector tissue Doppler imaging. Conf. Proc. IEEE Eng. Med. & Biol. , 2963-2966 (2009).
- Cortes, N., Blount, E., Ringleb, S., Onate, J. Soccer-specific video simulation for improving movement assessment. Sports biomechanics / International Society of Biomechanics in Sports. 10 (1), 12-24 (2011).
- Quammen, D., Cortes, N., Van Lunen, B., Lucci, S., Ringleb, S., Onate, J. The effects of two different fatigue protocols on lower extremity motion patterns during a stop-jump task. J Athl Train. 47 (1), 32-41 (2012).
- Kasai, C., Namekawa, K., Koyano, A., Omoto, R. Real-time two-dimensional blood flow imaging using autocorrelation technique. IEEE Trans. Sonics Ultrasonics. Su-32, 458-464 (1985).
- Pastorelli, A., Torricelli, G., Scabia, M., Biagi, E., Masotti, L. A real-time 2-D vector Doppler system for clinical experimentation. IEEE Trans. Med. Imag. 27, 1515-1524 (2008).
- Lu, T. -. W., O’Connor, J. J. Bone position estimation from skin marker co-ordinates using global optimisation with joint constraints. Journal of Biomechanics. 32, 129-134 (1999).
- Cronin, N. J., Lichtwark, G. The use of ultrasound to study muscle-tendon function in human posture and locomotion. Gait & Posture. , (2012).
- Loram, I. D., Maganaris, C. N., Lakie, M. Use of ultrasound to make noninvasive in vivo measurement of continuous changes in human muscle contractile length. Journal of applied physiology. 100 (4), 1311-1323 (2006).
- D’hooje, J., Heimdal, A., Jamal, F., et al. Regional strain and strain rate measurements by cardiac ultrasounds: principles, implementation and limitations. Eur J Echocardiogr. 1, 154-170 (2000).
- Yeung, F., et al. Feature-adaptive motion tracking of ultrasound image sequences using a deformable mesh. Medical Imaging, IEEE Transactions on. 17 (6), 945-956 (1998).
- Duan, Q., et al. Tracking of LV endocardial surface on real-time three-dimensional ultrasound with optical flow. Functional Imaging and Modeling of the Heart. , 873-875 (2005).
- Miyatake, K., et al. New method for evaluating left ventricular wall motion by color-coded tissue Doppler imaging: in vitro and in vivo studies. Journal of the American College of Cardiology. 25 (3), 717-724 (1995).
- Nagueh, S. F., et al. Doppler estimation of left ventricular filling pressure in sinus tachycardia: a new application of tissue Doppler imaging. Circulation. 98 (16), 1644-1650 (1998).
- Grubb, N. R., et al. Skeletal muscle contraction in healthy volunteers: assessment with Doppler tissue imaging. Radiology. 194 (3), 837-842 (1995).
- Eranki, A., AlMuhanna, K., Sikdar, S. Characterization of a vector Doppler system based on an array transducer. Ultrasonics Symposium (IUS). , (2010).
- Newhouse, V. L., et al. The dependence of ultrasound Doppler bandwidth on beam geometry. IEEE Trans. Sonics Ultrason. 27 (2), 50-59 (1980).
- Baker, D. W., Rubenstein, S. A., Lorch, G. S. Pulsed Doppler echocardiography: principles and applications. The American journal of medicine. 63 (1), 69-80 (1997).
- Loupas, T., Gill, R. W. Multifrequency Doppler: improving the quality of spectral estimation by making full use of the information present in the backscattered RF echoes. IEEE Trans. Ultrasonics, Ferroelect. Freq. Contr. 41, 522-531 (1994).
